低压配电电缆巡检用非接触式电压传感器的仿真与实验分析*

林成镇, 郑 昕

(1.福州大学 电气工程与自动化学院, 福建 福州 350116;2.福建省新能源发电与电能变换重点实验室, 福建 福州 350116)

0 引 言

随着城市电网电缆化率的不断提高,电缆故障已成为影响供电可靠性的重要因素,并呈上升趋势[1-2]。电缆故障的原因主要是外力破坏、电力作用和人为原因等因素的影响,断线故障威胁电网的正常运行和人身、设备安全[3-4]。因此很有必要进行电缆故障的预防和排查。传统电缆巡检方式所用的传感器都需要与被测点直接接触,由传导电流完成测量,会在一定程度上破坏原来电路结构,并且给并网运行带来一定潜在安全风险,这与现在提出的智能电网建设发展不相适应。另外,传统的电缆错接检测需要通过负荷开关和增加负荷的方式来完成,而断线检查需要将电表直接与相线接触才能完成,当存在障碍物时则无法实现检测,且对人身也有危害[5]。

非接触式测量与传统测量方法不同,根据带电导体周围电场强度值与带电导体自身电压成正比的关系,可以实现对导体电压的间接测量,检测设备和被测导体之间不用保持电气连接,具有绝缘难度低、结构简单、动态范围广以及暂态响应速度快等一系列优点[6]。近年来,研究人员在非接触式测量方面取得了很多成果,文献[7-9]为解决静电电压的精确测量问题,设计了非接触静电电位测量系统或测量仪。文献[10-12]针对高压输电系统架空电缆的电压测量问题,设计了基于电场耦合原理的非接触式电压传感器。但目前的非接触传感器一般都应用于高压测量方面且均存在误差问题,该问题目前尚未有很好的解决办法。文献[13-15]提出了应用电压电力线作为通信通道,并注入信号进行检测,通过返回的结果判断是否断线。由此可见,当前对低压电缆断线检测一般采用直接接入电缆,并对电缆进行信号注入再进行处理的方法,而该方法只能对线缆出现断线时检测出来,并不能对电缆破损进行预警以及没有对电缆错接进行检测。

本文针对传统电压测量和电缆巡检,提出了一种非接触电缆巡检测量电路。首先,通过电磁场有限元计算软件Ansoft Maxwell对不同结构的感应电极进行建模仿真并分析,选择出合适的感应电极模型并研究其影响因素;其次,通过实验对感应电极的稳定性和线性度进行实测,验证了非接触传感器的可行性;最后,通过对待测电缆进行分段多点波形的分析对比,从波形特征信息上对待测电缆进行判断,实现故障区段的快速定位,且大大降低目前非接触测量的误差影响。

1 感应电极的结构

非接触式测量与传统的测量方式不同,不需要与导体直接电气连接,其原理是利用电容耦合效应在物体表面进行电压测量[16]。将设计的感应电极放置于电场内,信号源与感应电极形成耦合电容,耦合电容经由测量系统与地形成一个分压电路[17]。当测量系统输入阻抗很大时,耦合阻抗相比可不计,故可以实现对电压的非接触测量,再将感应电极与后端信号处理电路配合,即可完成对低压配电系统的非接触测量。

为了保证得到的波形信息完好,因此对于感应电极选择尤为重要。为了确定感应电极最佳形状以及摆放位置对带电线路电场的影响,通过参考已有的电场测量探头模型[18-20],利用Ansoft Maxwell软件建立了3种不同规格的感应电极的模型。3种不同结构感应电极如图1所示。

依次对圆形平板电极、方形平板电极、圆筒形电极进行电场仿真[21]。结果表明,方形平板电极对放置位置有严格要求,不同感应电极放置位置会导致测量误差变化;圆形平板电极对放置位置的要求降低许多;圆筒形平板电极对放置位置的要求最低,而且具有更为稳定的耦合电容。因此本文选择圆筒形电极作为感应电极,对不同规格的圆筒形电极进行建模和仿真,研究不同参数对测量结果的影响,从而选定最佳电极结构。

2 不同参数的圆筒形电极仿真分析

为确定圆筒形电极测量的影响因素,建立封闭和有开口的圆筒两种仿真模型,在其外表面设置参考电位为0。圆筒形电极仿真模型如图2所示。被测导线为铜导线,电压为AC 220 V,导线外有绝缘层。

在其他参数相同情况下,分别改变圆筒形电极轴向的内径/外径、长度、材料和轴向切开距离,对其进行仿真分析。第一组5种仿真模型的外径分别为12 mm、13 mm、14 mm、15 mm和16 mm,其他条件一致(内径为10 mm,长度为50 mm,材料为铜,不开口)。第二组改变内径,分别为10 mm、9 mm、8 mm、7 mm、6 mm。第三组改变长度,分别为50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm。第四组电极材料分别为铜、铝、银、铁、铬。最后一组改变圆筒形电极开口距离,圆筒形电极1为不开口,圆筒形电极2～圆筒形电极5为开口,沿轴向一侧间隙分别为5 mm、6 mm、7 mm和8 mm。仿真结果如表1所示。

表1 仿真结果

由表1可知,外径、材料和开口对测量误差的影响很小,最大测量误差都小于5%,符合工程应用的允许误差范围。但是内径对测量误差的影响很大,最大测量误差为40.92%;长度测量误差更大,最大测量误差为51.55%。因此,可以确定内径和长度是影响感应电压的主要因素。

3 传感器测量电路的设计

为了实现非接触式测量,需要设计一个灵敏感应电极。本文选用铜圆筒作为感应电极,当导线穿过铜管,电极与待测电缆分别作为电容的两极,从而实现电容耦合。圆筒型感应电极实物如图3所示。

在确定完感应电极结构后,由于感应电极在实际中带电导线表面测量到的电压信号较为微弱,且容易有噪声的干扰。因此还需要设计信号前置处理电路,为了使测量电路具有较高的灵敏度,设计的电路应考虑信号放大、系统输入阻抗提高和输入电容减小等因素。感应电极获取微弱感应信号送至信号处理电路,经过自举电路和电压提升电路得到可供单片机采样的电信号。信号处理电路如图4所示。

图4中信号处理电路以INA117为核心。该运放具有超低输入电容、极高输入阻抗和低噪声,满足信号处理的要求。U1与R1、R2的自举结构通过正反馈的方式极大提高了电路的输入阻抗[22]。前置电路的等效输入阻抗为

(1)

由式(1)可见,应用自举结构使得等效输入阻抗大幅提高,为了减小运放的输入电容,提高电路的输入阻抗,从而减小信号的损耗,采用电容抵消技术,利用C3和RW1构成电容抵消结构,降低后的运放等效输入电容为

Cin=C1-(μ-1)C3

(2)

式中:μ——可变电阻RW1的正反馈系数。

检测的是线路电缆,环境中噪声比较大,不仅有工频信号,还包括了大量的中高频暂态信号;为了滤除线路环境中的暂态信号,在信号输出侧加入二阶巴特沃斯滤波电路,截止频率设为200 Hz。为信号能满足后续电压采集的要求,在信号输出前加上电压抬升电路,使输入的交流电压提升;考虑后续用单片机采集,电压信号最高幅值不超过3.3 V。信号滤波电路如图5所示。

4 非接触式电压传感器的实验分析

4.1 不同规格圆筒形电极的实验对比分析

为验证仿真的正确性,进行不同规格圆筒形电极的对比实验。本文采用自耦调压器提供测试电压,实际的低压配电电缆是阻感性负载,使用接触器线圈作为负载构成实验线路,分别在空载和负载情况下对不同规格感应电极进行对比实验。电压测量实验原理图如图6所示。

自耦调压器输出保持220 V,空载下不同规格感应电极测量结果如表2所示;负载下不同规格感应电极测量结果如表3所示。表2和表3中某一规格下的圆筒1与上述对应规格下仿真图中的左边圆筒的尺寸一致,某一规格下的圆筒2与上述对应规格下仿真图中的右边圆筒的尺寸一致。

表2 空载下不同规格感应电极测量结果

表3 负载下不同规格感应电极测量结果

实验的结果与仿真分析相符合。综上所述,内径和长度的不同会导致圆筒形电极的感应电场不同,其他如外径、材料、开口对圆筒形电极的感应电场影响较小。因此,在制作圆筒形电极时,将感应电极设计成活动扣式结构,使得感应电极便于安装在低压配电线路上。感应电极的孔径可以根据输电线路的直径量身定做,稳定安装,同时不会因感应距离等因素影响测量结果。

4.2 线性度分析

为了验证非接触感应电极的测量结果是否满足一定线性关系,选用图3的感应电极进行实验。将导线穿过感应电极放置线头处,调节调压器输出0～220 V不同电压有效值。测量系统测得的空载和负载下电压值散点图如图7所示。

由图7可知,不论是空载还是负载,当调压器输出电压发生变化时,电极感应电压也随之变化,且变化趋势呈线性,后续对测量的修正补偿较为容易。电压偶尔会出现波动,其原因是试验环境中其他电器设备的干扰,因此当调压器输出电压为0时,电极感应电压仍有一定数值。

4.3 长距离稳定性分析

实际测量中电缆通常比较长,为了满足检测的需求,验证长距离测量的稳定性,在现有条件下选取长度为200 m的普通铜导线作为待测线路,电缆长距离传输的电压降为

R=ρL/S

(3)

式中:U降——电压压降;

I——线路的线电流;

cosφ——负荷功率因数;

R、X——线路电阻和电抗;

ρ——导体电阻率;

L——导体长度;

S——导体截面积。

电压降与电缆选择、负荷大小等因素有关。采用低压电缆(380/220 V)电抗以0.06×10-3Ω/m来估算。工程上电压误差允许在5%以内,在负载电流很小条件下,通过式(1)计算得出L=400 m,因此设计的200 m电缆长度电压降误差在5%以内,符合工程实际要求。用传感装置测量通电电缆的线头和线尾侧电压波形,分别进行空载和负载情况下的两组实验。空载和负载下线缆两端测量波形如图8所示。

由图8(a)可见,空载线头电压有效值为776.1 mV,空载线尾电压有效值为773.0 mV,空载线头和线尾电压波形相同。图8(b)中负载线头和线尾电压有效值分别为776.7 mV和761.4 mV,是因为负载情况下具有电流,而200 m通电电缆自身电阻相对负载电阻需要计及,因此会有一定电压损耗,使得电缆线的线头部分电压会比线尾部分电压稍大,由计算可知,电压相差在5%以内,符合工程实际要求,满足长距离输送的稳定性要求。

5 线路实测分析

电缆排查检测实测图如图9所示。在低压配电网线路中,在需要线路节点上安装设计的传感装置。若线路发生故障,通过波形显示的不同,判断出故障类型,可以极大方便维护人员进行故障定位与检修[23]。实测时采用市电降压供电,今后实际应用中将考虑采用超级电容或感应取能的方案,将另行开展研究。

5.1 线路破损检测实验

电缆正常运行是保证国民正常生活的基本保证,电缆在实际运行中因为动物啃咬、老化、长期高负荷运行等原因出现断损,如若不及时发现可能会产生更加严重的后果[24]。因此,进行电缆破损检测,将传感装置放置于待测电缆的不同位置处,对待测电缆进行测量,测量线路正常运行与人工模拟破损时不同位置处的波形,并进行分析对比。负载下线缆正常和破损两端测量波形如图10所示。人工模拟破损是将正常电缆在中间位置处将电缆割裂,形成破损点。

由图10(a)可知,电缆正常接负载运行时,电缆两端的测量电压有效值分别为776.7 mV和761.4 mV,相差在5%以内。当电缆发生破损时,破损点电阻值会变大,从而导线上线损会增加,在破损点后面电缆电压值会降低比正常通电时多。因此,电缆两端电压值偏差会明显增大。图10(b)中,由实测可知,位于破损线缆两端传感器电路所采集到的电压有效值分别为774.1 mV和723.3 mV,电压差异远大于5%,从电压波形幅值可以推断,通电电缆状态异常。因此,可根据电压波形推断电缆破损位置的大致区间,可以缩短工作人员排查的范围,保证比较快速恢复供电。

5.2 线路错接检测实验

在实际线路中,电缆可能因为施工人员失误导致三相四线电路出现相间错接,将导致电力部门对错接线路线损计算的误差,因此有必要对刚铺设线路进行错接检测实验。如果接线是正确的,测量到线头、线尾波形信息应该是基本一致的。在待测三相电缆中取A相作为检测相,将一个传感装置放置在A相电压进线端,即为线头部分。由于要进行错接检测,故采用人工模拟方式将另一个传感装置放在B相电压出线端,为线尾部分,将其模拟为电路错接状态。电缆错接检测波形如图11所示。

由图11(a)可知,当线路接线正常时,传感装置测量到的波形幅值和相位基本相同。图11(b)中,传感装置测量到的波形幅值基本相同,但是相位相差约120°,可以判断出此时电缆处于错接状态,即原本应接A相的线路接成B相,应及时提醒施工人员进行更换。因此在实际线路施工中,当线路为非地埋时,考虑线路长度以及压降损耗的修正,在合适距离处安装本装置。对于地埋式线路,在进行铺设时可在每个电缆接头处安装本装置,对于已安装完成的线路,选择将感应电极放置在电缆沟中方便安装的电缆接头上。当施工人员完成三相四线电路施工后,可采用本装置对电路进行错接检测,起到预防、纠错的功能。

6 结 语

针对低压配电电缆巡检设计了一种基于波形分析的非接触电压测量电缆巡检方法,通过Ansoft Maxwell建模分析最终确定圆筒形为感应电极的最佳结构,完成圆筒形电极在空载和负载下线性度、长距离测量稳定性的实验。进行电缆实际运行中的破损以及错接实测,实验表明该非接触测量装置能有效、快速实现故障区段的定位以及错接检测,在电力电缆的巡检和探损方面具有良好的应用前景。

在实际应用中,准确度一直是非接触测量的技术瓶颈所在,由本文实测结果可以看出不同电缆对测量结果也有一定影响,因此通过一致性分析,采用相同结构传感装置进行多点同时测量比较的方法来解决准确度问题也是本文后续要开展的研究。